犯罪科学系列(四) : 从分子生物学的角度 谈鉴识科学的未来—专访 Karl Reich 博士

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生物科技发展蓬勃,对鉴识科学产生哪些影响?现今当红的次世代定序(NGS)在鉴识科学里又扮演什么样的角色?除了制度与资金的问题,又是什么让鉴识科学技术进展停滞不前?

美国知名鉴识科学家 Karl Reich 博士于今年五月初来台参访。他在美国带领一间独立刑事鉴识科学实验室,除了进行鉴识分析,也从事研发,其产品与服务已销售至世界各地如欧洲、亚洲、美国及俄罗斯等。此次透过金万林生技公司,基因线上很荣幸采访到 Reich 博士,畅谈分子生物在鉴识科学领域所扮演的角色、最新技术进展及挑战。

推动鉴识技术发展的原因:生物科技与市场?

刑事 DNA 鉴识科学实验室分成“血清学”和“分子生物学”。血清学是指分析人员分析犯罪现场采集到的 DNA 样本来源,现存的四项检测为血液、口水、精液及尿液。另一部份则以分子生物学为基础,即 DNA 鉴定。现在的DNA 鉴定技术渐趋灵敏,即便是极微小的证物如单一指纹,都可从中取得 DNA 做分析。

然而在分析前,犯罪现场的采证是关键。刑事 DNA 迹证有两种,一是布料上的脏污,一是棉棒。“我们不会把每样物品都送到实验室,假设犯罪现场发现一台笔电,鉴识人员会用棉棒采集键盘表面或边缘的血迹,再把棉棒送到实验室进一步转化成有用的资讯。”Reich 博士提到相较于医学、新药等生物科技领域,鉴识科学技术进展缓慢。以美国为例,一般的鉴识科学实验室都由各州政府管理,即便失败也没有损失,导致缺乏改变的动机。

再者,鉴识科学不像生技研发有资金挹注,因此鉴识科学实验室如同生产线,不断接受政府命令处理各种证据,而不会投入研发。Reich 博士的实验室是少数投入研发的鉴识科学实验室之一。“你想,这些实验室员工薪水没保障、也没有拥有研究背景的实验室主持人,更没有政府资金补助,这些研究如何产出?其实是来自生物科技和市场。”他表示鉴识科学领域其实在 1997 年前并不存在;过了二十年后,以美国的基因数据库全部约 1100 万份的资料量,保守估计全球已进行超过一亿份短重复序列 (STR) 检验。“有两家公司囊括 95% 的鉴识检测套件的制造,即 Applied Bio-systems  (现由 Thermo Fisher 所有) 和 Promega。透过他们每年的销售额就能推估每年进行 STR 检验的数据量。”Reich 博士指出。

Dr. Karl Reich

样本需求量太大 ?! NGS在鉴识科学的侷限   

此外,鉴识科学领域现今的主流趋势是次世代定序 (NGS)。“目前刑事鉴定领域已拥有实用且效率高的系统,而它 (NGS) 并不会为鉴识科学现存系统带来新的改变。”Reich 博士提到现在制造定序设备的公司正面临市场短缺,因为学术研究已饱和,因此他们必须找到新的市场──鉴识科学。“一般情形没有非要用 NGS 平台不可,因为太贵。但若是已严重破坏、风化的样本如骨骸,DNA 断裂情形严重、片段长度普遍短小,就需要比毛细管电泳更好的方式来放大 DNA 片段,这时就值得使用 NGS。”再者,他也认为当前的 NGS 技术对鉴识科学来说,仍不够灵敏。如击发后的弹壳,这类样本没有太多 DNA,而 NGS 可能需要 20 奈克的 DNA,这对鉴识科学所需的量来说已太多。目前 DNA 鉴识科学只需 0.5 奈克甚至更少就可得到一个人的完整 STR 图谱。

军用不一定适用  快速 DNA 有盲点

除了 NGS,几年前是以快速 DNA (rapid DNA) 为趋势。在鉴识领域中,常有人抱怨从采证到鉴定结果出炉所需的时间太长,因此快速 DNA 崛起。“当初流行快速 DNA,是因美军想开发全自动一次性仪器,类似刑事鉴定版的现场即时照护 (point of care for forensic testing)。只需放入棉棒,按下按钮,几小时后结果就出炉。”美军为此投入庞大资金,民间企业发现后也着手开发可与之竞争的技术,并锁定执法单位为目标客群。不过,军用仪器讲求防弹、轻便、多功,但处理的样本数有限,且费用不是考量。因为军方只在意轰炸完目标后是否有炸到恐怖分子,所以一次所测之样本数很少(甚至不到 50 个),与执法单位所需之便宜、可处理大量样本刚好相反。再者,新仪器也必须和执法单位使用之现存实验室系统整合。所以军用规格之仪器既昂贵又不适合执法单位使用,“若真有执法单位购买该仪器,后来发现测的样本少又贵(一台 20 万美元,测一次 2 小时,成本 400 美元),最后只能闲置于实验室中,相当可惜。”Reich 博士说。

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鉴识科学未来两大趋势:刑事 DNA 鉴定和基因数据库

目前全球各国都在建立刑事 DNA 鉴识服务和基因数据库。“政府想知道谁曾被逮补?谁进出哪些国界、是否偷渡毒品等。有的国家已建立完善系统,如英、美、德、法等国;也有刚起步的国家如中东;也有和台湾类似,已建立系统但仍在改善中的国家。”Reich 博士说。对数据库而言,规模是关键,越多人加入越有利。而目前鉴识领域使用的 STR 检验,像一组电话号码,不包含如身高、发色等生理特征,很难只透过 DNA 获得任何人的精确个体讯息。Reich 博士认为虽然该方法目前运作顺利,也已累积许多 STR 的资料,但仍有待改善,不过当人们已习惯这样的执行方式,改变将是一大挑战。

STR 技术该如何发展?分子生物带给鉴识科学的新挑战

STR 检验技术从 2000 年前沿用至今,借由扩大特定的基因范围接着进行毛细管电泳。至于在法医学、遗传疾病诊断、基因连锁分析等研究上扮演重要角色的全基因体放大法 (whole genome amplification,WGA),目前尚未成功开发出 STR 专用的 WGA。“因为在基因体中,体细胞染色体上共有两组 STR 形成一对。在一个 DNA 样本中,没有一个 STR 存在的量是其他 STR 的 5 倍。所以用 WGA 放大 DNA 时,会产生失衡现象,即某些片段比其他片段更快速地被放大,产生读取偏差。PCR 扩增技术也有同样问题,且一旦样本数更大,异常值会更明显。”Reich 博士强调,科学家曾试图探究导致每个 DNA 片段放大效果不同的原因,但仍遍寻未果,“有些人的 DNA 就是比其他人的 DNA 放大得更好,这是个很深奥的分子生物问题。”

另外,遗传学在鉴识科学的应用除了 STR 外,其实也能使用 SNP 做鉴定。但Reich 博士提醒,若要达到统计效力就需要数百个 SNP,且要将 STR 换成 SNP,必须将现有的 STR 数据库重新测试其中的每个样本以取得 SNP,可行性太低。除非能证明两者有重叠相同之处,“但在遗传学上,不会每个 STR 都和特定的 SNP 相关,所以这是不可行的。若过去就知道现在所知道的知识,还会不会用同一种方法,真的很难讲。但惟有不断努力,才能更接近我们理想的境界 !”

CSI

 

 

 

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